等离子点火技术在660MW褐煤锅炉中的应用

李亚杰

【摘要】本文介绍了等离子点火技术的工作原理及等离子点火装置的结构，论述等离子点火技术在660MW燃烧低发热量褐煤锅炉应用中的优缺点，通过实践证明，等离子点火技术，属于高科技综合性项目，经济和社会效益上符合节能和环保社会发展的大趋势，值得大力推广。

【关键词】等离子；褐煤；环保排放

前言

目前，世界上大部分燃煤锅炉点火的传统工艺，都是采用轻油或重油点火工艺。油点火是一项成熟、稳定的点火方式。但是也存在明显的缺陷：第一，电厂需要建设储油区、高压油泵、油循环管路等。且为保障燃油助燃系统及时投入，需要油泵长周期运转，增加电耗。增加电厂危险源。第二，油点火时，为防止部分未燃烧燃油液滴粘附在电除尘极板或电袋除尘器布袋中引起二次燃烧，电除尘无法投入。锅炉启停或低负荷投油稳燃时，锅炉烟尘排放无法达标，尤其是无法满足超低排放烟尘10mg/Nm3的标准。同时油滴也会被烟气携带进入脱硫系统，造成脱硫效率严重下降，增大二氧化硫的排放。第三，燃油价格远高于燃煤，投油助燃的成本较高，降低电厂运行的经济性。为了解决无油点火的问题，国内目前有两种较主流的解决方案，一种是等离子点火，一种是小油量雾化点火。本文重点介绍等离子点火系统在配套660MW机组的哈锅2280t/h超临界褐煤锅炉上的应用。

1、等离子点火系统的简单介绍

由阴极、阳极前腔进气环，后腔进气环等组成。其中阴极材料采用高导电率的金属材料制成。阳极由高导电率、高导热率及抗氧化的金属材料制成，它们均采用水冷方式，以承受電弧高温冲击。电源采用全波整流并具有恒流性能。其拉弧原理为：首先建立空载电压，设定好输出电流，启动后，高频引弧器工作，将阴极和阳极之间的间隙击穿，由于有空载电压，电弧就建立起来了，形成等离子体，等离子体的能量密度高达105-106W/cm2。

等离子燃烧器是借助等离子发生器的电弧来点燃煤粉的煤粉燃烧器，与以往的煤粉燃烧器相比，等离子燃烧器在煤粉进入燃烧器的初始阶段就用等离子弧将煤粉点燃，并将火焰在燃烧器内逐级放大，属内燃型燃烧器，可在炉膛内无火焰状态下直接点燃煤粉，从而实现锅炉的无油启动和无油低负荷稳燃。在锅炉点火和稳燃期间，该燃烧器具有等离子点火和稳燃功能。

2、燃烧褐煤锅炉采用等离子点火技术的分析

2.1 国投哈密电厂锅炉设备及燃煤主要技术规范

2.1.1 锅炉型式。锅炉型号：HG-2280/25.4-HM15，一次中间再热、超临界压力变压运行带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉、单炉膛、平衡通风、固态排渣、紧身封闭、全钢架、全悬吊结构、π型布置。锅炉采用四角切圆燃烧方式，主燃烧器布置在水冷壁的四个角上，每层4只燃烧器对应一台磨煤机。SOFA燃烧器布置在主燃烧器区上方的水冷壁的四角，以实现分级燃烧降低NOX排放。

2.1.2 锅炉燃煤。设计煤种和校核煤种：

2.1.3 制粉系统型式。中速磨煤机冷一次风正压直吹式制粉系统，每台炉配6台ZGM123中速磨煤机。A、B两台磨煤机对应燃烧器均安装等离子发生器，作为稳燃手段、互为备用。

2.2 为确保在机组试运过程中等离子燃烧器点燃配套煤矿褐煤，进行了必要的点火试验。2014年5月，配套煤矿7煤层（主要燃用煤层）露天矿部分已经成功开采出露头煤，为确保等离子能够成功燃用露头煤进行点火吹管，将8吨原煤运至徐州燃控进行等离子点火试验。露头煤全分析及点火试验情况如表2：

已经准备就绪的等离子发生器、采用的就是我公司的等离子燃烧器。

试验设备介绍：煤粉通过给粉机进入热一次风管，通过给粉机转速估算给煤量。我厂燃烧器与燃烧室呈约80°夹角，斜向喷入燃烧室。燃烧室采用引风机+两台水膜除尘器配置。无二次风喷口。

2.2.1 第一次试验：一次风油燃烧器未投入、未进行加热，风温约25℃。

试验情况：等离子拉弧电流225A，调整燃烧室压力-200Pa，一次风速23m/s（给粉后风速20-21m/s），给粉量6t/h（根据我厂磨煤机最小出力24.4t/h计算单个喷口出力为6t/h）；由于煤粉未经过充分干燥，给粉机处有结块、下粉不均情况，给粉量6t/h不准确；给粉后约30s煤粉开始被点燃，由于给粉机下粉不均，着火不稳定，伴随炉膛压力在100—-400Pa大幅波动；试验期间，一次风速最低低至11m/s。（经判断为风管堵粉造成，停止给粉后，很快风速恢复至23m/s左右）。

试验存在问题分析：煤粉点燃后，燃烧火炬较长，燃烧室内几乎充满火焰， 看不清喷口附近是否有明显集中的火焰。此时炉膛压力波动减小，约0—-300Pa间波动；给粉机下粉不均，煤粉外水含量较大，一次风温较低（室外温度约25℃），着火热较我公司运行工况增加，相对不易点燃；挥发分高，但发热量较低。煤粉点燃后放热小，着火煤粉对未着火煤粉引燃较差，主要依靠等离子热量加热；煤粉灰分含量大，挥发分溢出较困难，燃烧相对滞后，形成长火焰燃烧；由于缺少高速二次风引流，一次风速不高，刚性较弱，扩散性较强，火焰燃烧后期几乎充满燃烧室。

2.2.2 第二次试验：投入了一次风加热用油燃烧器，提高一次风温至54℃（第一阶段）和63℃（第二阶段）。

试验情况：第一次试验，一次风速23m/s，给粉机转速30%，后提高至50%，给粉量约3-5t/h；一次风温提高后，着火明显好于20日，火焰燃烧相对集中，火焰长度约8m，至9m左右观察孔，已无火焰；给粉机启动并增加转速后，建立火焰时间约为20s左右，火焰有明显波动，考虑到煤粉潮湿结块后导致的给粉机的下粉不均，此现象基本正常。

2.2.3 试验结论：现场使用等离子点火时，由于一次风温度高，干燥煤粉后，一次风温度基本能够达到60℃左右，本次试验一次风温度基本与现场实际情况相同；由于煤粉灰分含量大，燃烧初期煤粉燃烬率差，炉内空气较混浊，有可能火检无法有效建立或火检不稳定。有可能会由于瞬时失去火检造成磨煤机跳闸，需要调整火检灵敏度或采取强制火检信号，并且结合等离子火焰电视作为观察手段的特殊措施。炉内温度提高后，燃烬率增加，火检信号会稳定正常；考虑到设计煤种发热量、挥发分均优于试验煤种，实际应用中运行情况应由于本次试验。

2.3 等离子燃烧器在锅炉点火吹管、锅炉168试运及后续商业运行期间的稳燃情况。锅炉吹管期间，为提高锅炉燃烧稳定性，对吹管用煤进行了掺配，更接近于设计煤种。

吹管期间等离子燃烧稳定，磨煤机工作正常，磨煤机给煤量基本稳定在35-40吨/小时，磨煤机风量90-100吨/小时，磨煤机出口温度控制在65℃左右，炉内火焰基本稳定，燃烧正常。

168试运期间，依靠等离子点火方式，锅炉均能正常启动，未发生异常。后续商业运行期间，锅炉经过多次冷态、热态启动和低负荷稳燃均燃烧正常。等离子燃烧器经过历次检修检查也未发现烧损等情况。

3、等离子点火系统存在的问题

等離子点火系统在褐煤机组应用正常且大量节省助燃用柴油，但对比油点火方式还存在一定问题，主要集中在一下方面：

3.1 等离子点火技术使用时需要临机辅汽或启动锅炉辅汽加热等离子暖风器，将磨煤机入口风温加热至150-200℃。无法完全实现独立点火。

3.2 中速磨煤机搭配等离子点火技术时，收到磨煤机最小煤量和煤粉浓度的制约，冷炉点火时初始热量大，不利于锅炉缓慢均匀的受热，容易导致锅炉水冷壁管初始热冲击较大，多次启停后易发生燃烧器上部水冷壁管的裂纹，降低机组运行安全性。

3.3 等离子阴阳极头寿命较短，已发生断弧等故障。虽然可以通过关闭中速磨煤机出口风管关断门来停止断弧等离子的供粉，确保锅炉运行安全。但所造成的炉内缺角燃烧，温度场不均匀也会导致锅炉本体膨胀不均，炉管受到局部应力作用发生裂纹、泄露等情况。

4、效益分析

4.1 经济效益。锅炉点火吹管期间，全部使用等离子点火，节省了燃油费用。

吹管期间大量节省费用：两台锅炉吹管期间锅炉共运行104小时，全部采用等离子助燃，供消耗燃煤6000吨（包括启动锅炉），更换等离子阴极头16个，按照原煤165元/吨、等离子阴极头2000元/个计算，总费用为2000×16+6000×165=102.2万元。若采用燃油吹管，则需要2吨/支大油枪3只连续投入，用油3×2×104=624吨，按照每吨燃油7000元计算，总费用为436.8万元。节省费用约325万元。机组投运后，正常启停采用等离子点火，每年还可以节省大量的燃油费用，降低发电成本。

4.2 环保效益。等离子点火技术的使用，可以使电除尘在机组启动和稳燃期间正常投入，确保烟尘排放达标。同时减轻脱硫系统浆液的污染，提高脱硫效率的同时降低石灰石耗量。

5、结论

哈密电厂660MW机组在试运阶段和后续等级检修后启动中，要经过锅炉升温升压，汽机冲转、并网、洗硅运行等多个需要助燃的阶段。采用等离子点火技术，实现了锅炉无油启动、无油停炉和无油低负荷稳燃，经济效益和环保明显，在燃用褐煤的锅炉机组中，有较好的推广意义。